MoO3和Nb2O5助剂对Pt/ZrO2催化剂上短链烷烃燃烧反应的不同促进作用

贵金属Pt催化剂具有高活性和热稳定性,广泛应用于催化挥发性有机物的完全氧化反应(燃烧反应).短链烷烃(甲烷、乙烷、丙烷等)化学性质稳定,是最难氧化的一类有机物,常用作考察燃烧反应催化剂性能的模型反应物.然而,目前报道的研究工作通常仅限于针对某一种烷烃底物的催化燃烧,系统考察催化剂以及助剂对不同短链烷烃的催化燃烧活性鲜有报道.在短链烷烃中,甲烷只有C–H键;而其它烷烃除了C–H键;还有C–C键.因此,研究催化剂对甲烷、乙烷和丙烷燃烧反应催化性能的差异性,对于认识催化剂上C–H键和C–C键的活化具有非常重要的意义.本文制备了MoO3或Nb2O5修饰的Pt/ZrO2催化剂并用于短链烷烃的燃烧反应.研究发现,MoO3助剂对甲烷燃烧有明显的抑制作用,但对乙烷,丙烷和正己烷燃烧反应具有促进作用,促进作用随着烷烃碳链的增长逐渐增加;Nb2O5助剂对甲烷、乙烷、丙烷和正己烷燃烧反应均具有促进作用,然而促进作用随着碳链的增长而逐渐减弱.MoO3和Nb2O5助剂的不同促进作用与助剂影响催化剂表面酸性以及Pt物种的氧化或还原态有关.NH3-TPD结果表明,MoO3助剂可以显著增加Pt/ZrO2催化剂表面强酸位点数量,而Nb2O5助剂可以显著增加Pt/ZrO2催化剂表面中强酸位点数量.HTEM结果表明,两种助剂的添加都不会明显改变Pt物种的颗粒尺寸.在Pt-Mo/ZrO2催化剂上,MoO3覆盖部分Pt物种形成丰富的Pt-MoO3界面,促进了金属Pt物种和强表面酸性位点的生成,提高了丙烷燃烧反应活性;Pt-Nb/ZrO2催化剂上载体表面的部分Nb2O5被Pt物种包覆,使得生成的表面Pt-Nb2O5界面低于Pt-Mo/ZrO2催化剂,但由于催化剂表面酸性位的提升,也促进了丙烷燃烧反应活性的提高.XPS结果表明,在甲烷燃烧反应中,Pt-Nb/ZrO2催化剂上Ptn+物种能够更加稳定地存在,这可能是Nb2O5助剂提高Pt-Nb/ZrO2催化剂上甲烷燃烧活性的关键.而Pt-Mo/ZrO2催化剂上Ptn+物种在甲烷反应中可以更容易地被还原,并且由于MoO3的包裹导致暴露的Pt位点数量降低,使催化剂催化甲烷燃烧的活性受到抑制.可见,MoO3助剂更有利于C–C键活化,而Nb2O5助剂更有利于高键能的C–H键活化.综上,本文系统性地研究MoO3助剂和Nb2O5助剂对Pt/ZrO2催化剂上不同短链烷烃的燃烧反应的影响,证实了两种助剂的促进作用与碳链长度的关系是截然不同的.     

Co-Cr-O复合氧化物上丙烷低温完全氧化:结构效应、反应动力学和原位光谱研究（英文）

低碳烷烃是一类主要的挥发性有机污染物(VOCs),广泛生成于汽车尾气以及各种工业过程如煤处理、石油精炼以及天然气处理等.随着对环保要求的日益提高,对高效VOCs消除技术的需求愈加迫切.催化完全氧化(催化燃烧)技术具有起燃温度低、能耗低、净化效果好(无二次污染)等优点,因而极具应用潜力.对于低碳烷烃的催化燃烧,贵金属催化剂如Pt和Pd等具有很高的反应活性,但存在价格昂贵并易中毒等缺陷限制了其商业应用.另一方面,过渡金属氧化物由于其价格低廉、抗中毒性能优异及热稳定性好等特点受到广泛关注.Cu,Mn,Co,Fe等氧化物都具有良好的催化活性,其中Co氧化物由于其在丙烷催化燃烧中的高活性受到关注.而在Co氧化物中添加第二金属更能促进其反应性能.因此本文制备了一系列不同Co/Cr比例的复合氧化物用于丙烷催化燃烧,考察了催化剂结构和表面性质对其反应行为的影响,并通过反应动力学和原位光谱技术对反应机理进行了探索.实验结果表明,随着Co/Cr比例的变化,催化剂的晶相结构、颗粒尺寸、比表面积、表面酸性以及氧化还原性等特性均发生了明显变化,进而影响了其反应行为.当Co/Cr比例为1/2时(1Co2Cr),催化剂为尖晶石结构并具有最大的比表面积.该催化剂上具有最高的反应活性(250℃时反应速率为1.38μmol g^-1 s^-1),可归因于其最高的表面酸性和低温氧化还原性能的协同作用.反应动力学结果表明,1Co2Cr催化剂上丙烷和氧气的反应级数分别为0.58±0.03和0.34±0.05,低于2Co1Cr(分别为0.77±0.02和0.98±0.16)和1Co5Cr(分别为0.66±0.05和1.30±0.11),表明1122Cr催化剂相比后二者具有更高的丙烷和氧气表面覆盖度,得益于其更高的表面酸性和更好的低温氧化还原性能.此外,原位红外光谱表明,在反应过程中,1Co2Cr催化剂上的主要表面物种为多齿碳酸盐,该物种在低温时(<250℃)在表面积聚,但在高温时被分解.